二戰中屢立奇功的英國雷達天線

大家一定都很熟悉天線的英文名稱一般叫做 Antenna；其實，它的另一個名稱叫 Aerials。所謂 Aerials 就是一條用來發射或接收無線電訊號的長導線。從這個名稱可以看出來，實驗家們在還沒有把天線發揚光大之前，天線原來是什么樣子。

下面試著以「以古鑒今」的方式來了解天線，最主要的是希望從中可以看到天線的有趣實驗與動腦筋的精神，最后要簡略地介紹天線的發展歷史……

一、有趣的天線發明史

「威爾」發現了導線的妙處

我們一路回到最早期的無線電時代。在電力未發明以前，所有的機器都以煤油供應，例如以煤油為動力的冰箱就是很好的證明。

早期有位實驗家，名叫「威爾」 (Whitfield Whire)，他發明的無線電發射機可以發出很大的火花，但訊號卻無法發射出去。實際上他發明的發射機是以火花放電原理產生的無線電。但是讓他最吶悶的是，試用了無數的方法，就是無法接收到這發射機所發射的訊號。后來是收到了，但訊號很弱。

為了更進一步驗證電波是否可以穿過桌面，他把發射機擺在桌子底下，為了取得訊號，接收機被吊在桌子上方的天花板上，令他感到意外的是，吊著接收機的這一條導線，竟然使接收機的效率好了許多，因此，他就把吊著的導線留在那里，從此，他就稱他的接收機為「無線電接收機」 (WIRELESS SET)，他并且把這一份結果整理成一份報告，發表在美國的 QST 雜志上 (世界上最早的一份業余無線電雜志 )。

「古浪」發現接地的好處

在這好幾年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實驗家發現到，供電給桌子上的臺燈有兩條導線，但是接收機的天線只有一條，為什么只有一條天線可以表現得那么好，因此他就針對這個問題繼績探討下去。

這個問題自然對他困擾不已，但是事情就是如此之巧，在后來他買了一部車子后，他發現車燈也是使用一條導線而已，當然還有另一條線是接車子的外殼。這就使他想到一個問題：若同樣把發射機的其中一條導線接到一個共同的接點，是不是會比較好？所以他就用了一條金屬管打入地底下，并且拉出一條線接到發射機上頭，這竟然使訊號增強了許多，同樣地，他也把這重要的發現發表在 QST 雜志上。他在該文中建議，每一座業余無線電臺，都需要有「接地」 (GROWND)。

「戴柏」發明雙偶極天線

天線的下一個主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 發明的。

有一天，當迪普 (戴柏的昵稱 ) 走過一個游樂場時，發現當地的獅子會員正在玩蹺蹺板，他發現這些獅子會員都很快地能保持平衡，想必其中有人運力，使蹺蹺板在極短的時間內保持平衡。

迪普回到家后，馬上拿了一條導線接上機器外殼，另一條導線則接到發射機輸出，這就成為一組新的天線。其實，此天線也就是后來大家所熟知的「雙偶極」 (DIPOLE) 天線，這是為了記念戴柏，而以他的名字來命名。

「郝柏思」發明天線的虛接地

在 QST 雜志上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族，發現他的臺燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統采用 330V，這雖很自然，但是他想到，為什么北美地區使用220V 供電，也要有三條線。這也就促成他發明了「虛接地線」，這理論常時很少人知道，甚至有人對這理論不以為然。不過，今日對天線有興趣者，必定知道，虛性接地是必須的，而這些「虛接地」通常也稱做 COUNTERPOISE，用發明者的名字以資紀念。

「崔伯」首創較短的雙偶極天線

也在 QST 上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論的「崔伯」(Von Trap)，由于他家空間不夠大，無法架設雙偶極天線，所以他沿著天線，每隔幾英呎左右就繞幾個圈，好把過長的部份纏繞起來，并且在纏繞的電感上并聯電容，這就是「崔伯雙偶極天線」 (TRAP DlPOLE) 的誕生。

「尼馬奇」提出天線理論、發明駐波比表

從美國 QST 雜志發行以來，有關天線的發展史中，最富傳奇色彩的是「尼馬奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友們都昵稱他為 Mo。牠是第一位提出天線理論，探討有關被饋送到長狀天線的功率，有多少不會被輻射出去的物理學家。他為了徹底了解這一理論，想知道功率發射出去約有多少，被反射回來約有多少，因而發明了「駐波比表」 (駐波比 SWR 的現在英文正名為 Standing Wave Ratio。當時是 See What Returns 的縮寫，意思是有多少功率被折返。)

為了紀念此為駐波比表發明者，以前曾有人把駐波比表稱做 MoNimatch。至今，有關駐波比表的制作，依然以此為基礎。

QST 雜志依例報導了極為成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天線。從上列一路發展下來，像極了印度教的導師精神。

「雷頓」發現天線匹配

后為「雷頓」 (Raoul Random)發現蹺蹺板上兩端物體互異，但是調整距離也可以達到平衡，天線應該也可以像這樣，以人工方式調整，達到平衡 (匹配 )。

「赫茲」建立第一個天線系統

1865年德國物理學家赫茲Hertz (1857-1894, 37歲)建立了第一個天線系統，當時的裝配設備如今可描述為工作在米波波長的完整無線電系統，其中采用了終端加載的偶極子作為發射天線，并采用了諧振方環作為接受系統。

赫茲的天線系統

「馬可尼」開創商用無線電、越洋通信

1901年12月，意大利博洛尼亞研究者馬可尼在赫茲的系統上添加了調諧電路，為較長波長配備了大的天線和接地系統，并在紐芬蘭的圣約翰斯接收到發自英格蘭波爾多的2.5km無線電報。開發了商用無線電，開創了越洋通信。

在這些初期的研究上天線獲得廣泛的關注和應用，其發展大致可劃分為三個歷史階段。

二、天線的發展歷史

1、線天線時期（19世紀末至20世紀30年代初）

1901年馬可尼在加拿大紐芬蘭收到的橫渡大西洋由英國康泛爾半島發來的“S”字母信開辟了無線電遠距離通信的新時代。其當時所用發射天線是從48m高的橫掛線斜拉下50根銅導線形成的扇形結構，可認為是第一副實用的單極天線，震蕩源是70Hz的火花發生器。隨后又利用4座木塔架設導線網構成方形單錐天線，如圖所示，發射波長1000m。

單錐天線

隨著20世紀初電子管的發明和發展，這一時期開頭利用長波進行通信，隨后發展到中波通信，并因電離層的發現，1924年前后開始了短波通信和遠程廣播。這一時期也建立了線天線的基本理論。

2、面天線時期（20世紀30年代初至50年代末）

二戰前夕，微波速調管和磁控管的發明，導致了微波雷達的出現，厘米波得以普及，無線電頻譜才得到更為充分的利用。這一時期廣泛采用了拋物面天線或其他形式的反射面天線，這些天線都是面天線或稱口徑天線。此外，還出現了波導縫隙天線、介質棒天線、螺旋天線等。戰后微波中繼通信、廣播和射電天文等應用使面天線和線天線技術進一步得到發展、提高。這時期建立了口徑天線和基本理論，如幾何光學、口徑場法等，發明了天線測試技術，開發了天線陣的綜合技術。

3、大發展時期（20世紀50年代至今）

1957年人造地球衛星上天標志著人類進入了開發宇宙的新時代，也對天線提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟蹤、快速掃面、寬頻帶、低旁瓣等。同時，電子計算機、微電子技術和現代材料的進展又為天線理論與技術的發展提供了必要的基礎。1957年，美國制成了用于精密跟蹤雷達AN／FPS-16的單脈沖天線，達0.1密位。1963年出現了高效率的雙模喇叭饋源，1966年發明了波紋喇叭，1968年制成了高功率相控陣雷達AN／FPS-85。1972年制成了第一批實用微帶天線，并作為火箭和導彈的共形天線開始了應用。

近年來還出現了分形天線等小型化天線形式，另一重要進展時發展了天線的信號處理能力，理論上的進展是：創立了矩量法（MOM），時域有限差分法（FDTD）和幾何繞射理論（GTD）等分析方法，并已形成商用軟件。在天線測量技術方面，發展了微波暗室和近場測量技術，研制了緊縮天線測試場和利用射電源的測試技術，并建立了自動化測試系統。

美國F-16殲擊機上AN／APG-68火控雷達的相控縫隙陣天線

GPS上的螺旋天線陣

三、未來展望

當今，如今天線已廣泛應用于移動通信、廣播電視、雷達、導航、衛星氣象、遙感等領域。天線技術已具有成熟科學的許多特征，仍然是一個富有活力的技術領域。主要的發展方向是：多功能化（以一代多）、智能化（提供信息處理能力），小型化、集成化及高性能化（寬頻帶、高增益、低旁瓣、低交叉極化等）。